探討人造石材摻雜石材固廢的工藝方法和配套設備

彭健錕

（佛山慧谷科技股份有限公司，佛山 528000）

1 前言

國家十四五發展規劃綱要中明確要求深入推進廢物循環利用，加強大宗固體廢棄物綜合利用，全面提升固廢與危廢等環境污染物的處置水平，構建多層次資源高效循環利用體系。開發固廢的綠色循環利用技術，實現固體廢棄物的安全性、高效性和經濟性使用，“變廢為寶”解決生態污染問題，是經濟社會可持續發展的重要保障。而在石材行業，采收石材時產生的大量礦山尾礦料，石材加工產生較多的切割廢料和廢屑，這些物料均屬于典型的固體廢物，在自然環境中難以降解。但因其磨削或者破碎后粉末粒度很小，具有良好的微粒填充作用和微集料效益，目前多用于制備混凝土，調控或者改變混凝土的理化特性，進而服務于工程建設，實現廢物利用。

目前，人們正在進一步提高石材固廢的使用價值，將其用于制作人造石板材，通過配套設備二次布料的方式，在原料中混合石材固廢，使板材結構增強的同時又不影響花色紋理的呈現。

2 工藝方法

2.1 石材類固廢的使用價值

由于石材類固廢（含有大量的鈣—硅—鋁相）取代水泥或者優質石英砂不僅可以減少原料用量，還能起到水化溫升調控與體積穩定性增強的效果[1](如表1 所示))。另有學者利用固體廢物作為水泥替換材料，制備強度在7.5 MPa 到36.1 MPa 之間的水泥基材料，證明了其建材化應用的可行性[2]。日本月島機械株式會社開發成功的利用固體廢物制人造石材，其產品一是實現了廢物資源化；二是石材中的鉛、鎘、汞、鉻等重金屬以及砷的溶解析解出值均未檢出,徹底根除了被利用固體廢物堆存時產生的二次污染問題；三是石材抗彎強度、抗壓強度、熱膨脹系數、耐酸性等指標均優于大理石和花崗巖,特別是吸水率遠遠低于普通瓷貼面磚。

表1 各類石粉成分和物理特性

2.2 適合往人造石英石中摻入石材固廢的人造石工藝

人造石英石是以天然石英石砂、硅粉等無機材料（其主要成分為二氧化硅）為主要原材料，添加一定量的粘合材料制成的人造石材，通常其粘合材料為有機型不飽和聚酯樹脂或者水泥[3]。

礦山開采以及人造石材切割需要用到大量的水，因而尾礦或者廢屑本身含水量較高，且其結構烘干后會有一定吸水性（隨著時間會吸收更多），而水分對樹脂強度影響顯著。因此，以樹脂為粘合材料的有機型人造石材工藝中，在原料中摻入石材固廢需要更多的水分控制措施，且需要妥善保存，該工藝實現難度較大。而采用水泥作為粘合材料的無機型人造石材工藝，水泥本身水化和固化均需加入一定的水分并保持濕潤，只要控制加入水分的分量即可，相對工藝更容易實現。通過多次布料的方式，以水泥作為粘結劑，通過分層布置不同的原料，實現外表面和普通人造石材一致的花色紋理，但內部是使用多種固廢作為填充料的夾心餅式的人造石材，獲得經濟效益的同時，充分利用礦產資源和石材工業廢物，使固廢得到二次利用。除了解決了建筑石材廢棄物對耕地占用、污染環境、資源浪費等問題，還可提高人造石英石的工作性能、力學性能，進行適當處理即可滿足國標規范的要求，實現變廢為寶。

3 攪拌混合、多次布料以及壓制設備

3.1 稱量設備及攪拌、布料布置

尾礦以及石材切割廢屑等固廢含水量較高，應用前需進行烘干以免造成對水泥水灰比的影響。其研磨粉料粒徑應符合二級粉煤灰細度規范，粒徑較小的部分會對成品的外觀和強度造成細微變化；粉料摻入后會影響水泥流動度，吸水性能較強，配制混合材料時需注意用水和對水灰比造成的影響。可以通過帶稱重傳感器的暫存料倉和暫存液罐，通過減法稱量控制各種原料的配比。即預先往暫存料倉或者液罐中，而放料到差不多到達需要的重量的時候，控制比例閥門、控制放料速度，最終實現千分之三左右的配料精度。然后通過矩陣式串聯式布局不同工位的布料機和攪拌機，可以實現同一塊石材上分層布料，視布料層次數目，串聯相同數目的布料機和攪拌機。

3.2 裝飾層布料

首次布料在模具底部，這一層次一般作為裝飾層，選用優質的高白度的石英石骨料，采用一般無機人造石的配比制作石材的裝飾面，即混合若干種不同粒度的石英砂作為骨料，配合優質白水泥（方便調色）作為粘結劑，少量硅粉、高嶺土等作為增強劑、減水劑和緩凝劑等。通過不同的色料調色并且以一定紋理規律混合攪拌，可以設定混色攪拌器攪拌的圈數和速度，使最終物料呈現出設計的顏色紋路。

采用碾壓式布料的辦法，將攪拌混合好的物料，通過移動模臺隨著布料的進行而來回移動，使物料均勻分散到模具的各個部位。并且用移動的皮帶在完成布料的物料表面進行一次推平和碾壓，使得混合物料能夠預壓緊，并且獲得一致高度而較光滑的上表面。如圖1 所示。

圖1 裝飾層精細紋理布料

模臺完成一個來回為一個布料全程，布料結束后，模框抬起，物料傳輸到后續結構面布料。將裝飾面混合物布置在橡膠模具的底部，因為模具底部較為平整，用于制作裝飾面可以減少石材表面的磨拋量，并且可以用CNC 預制作出各種劃線和填料花紋。

3.3 中間結構層布料，混合石材固廢的比例

中間結構層的原料是采用固廢料和二至三種不同粒度的石英砂，搭配較低成本的灰色鋁酸鹽水泥，以及與裝飾面同樣的增強劑、減水劑和緩凝劑，按照一定比例參合固廢料來制作結構面，以獲得較高強度的結構支撐。層與層之間可夾玻璃纖維網，或者結構層中混合玻璃纖維或者芳綸，可進一步增強所制作石材的強度。

使用高速的環形立式攪拌罐對結構層的原料進行攪拌，兩個攪拌內槳與旋轉的罐體協同運作，高速攪拌使得物料充分分散，可大幅減少攪拌時間。這是因為灰色鋁酸鹽水泥混合水之后，水化和固化速度較快，需要較短時間實現原料的混合。在攪拌機輸送至布料機的途中，由上往下多次經過狼牙棒一樣的打散裝置，使物料分散的更加均勻，同時加濕器每次打散時對氣氛進行濕度控制，使物料表面保持濕潤，如同水泥攪拌車一樣減緩水泥的凝固。當物料傳輸至一樓平面時，經過最后一道狼牙棒使其均勻分散到已布入底層裝飾面的模框中。再同樣使用碾壓布料的辦法使得混合物料能夠預壓緊，并且獲得一致高度而較光滑的上表面。然后單次或多次結構層布料之后，即可送至真空振動壓制系統進行板材壓制。如圖2 所示。

圖2 結構層分散布料

結構面摻雜固廢料，無論齡期三天還是二十八天，當廢料摻量不到15%時，隨著廢料摻量的增加，人造石的抗折強度逐漸升高；當廢料摻量為15%時，強度均達到最大值，較未摻固廢料的無機型人造石的強度分別提高了30%、50%。但當廢料摻量大于15%時，抗折強度明顯降低；摻量為18%時，人造石的抗折強度僅為30.7Mpa，與未摻廢料的人造石強度相當。

3.4 多層布料

多層布料視客戶需要，可以重復布置不同的含石材固廢的結構層；如果雙邊都需要紋理時，或者混合有其他危險固廢需要進行封裝時，則可以在最頂層布置一層致密的裝飾層。

3.5 養護紀律及養護設備

多層分別布料時，由于每層成分結構會有差異，造成導熱系數、固化時收縮率不一致。在應用傳統水熱或者蒸汽以較高溫度進行24 小時養護至可脫模堆疊強度，以實現短期提升強度提高產量時發現，產品會出現不同程度的變形甚至破裂。而在常溫下自然養護到可脫模堆疊強度，則所需時間為7 天，產品沒有發生明顯變形和破裂，但明顯效率較低，且需要較大的存放空間來實現板材的堆放。因此，如表3 所示，測試通過采用自然養護結合蒸汽中溫養護的辦法。自然養護使產品快速定型，蒸汽中溫養護快速提升產品強度。

表3 養護組合時間對板材強度的影響

養護制度設置如下：先通過4 小時30℃60RH%的模擬自然養護，再通過2 小時升溫至60℃90RH%，然后再用16 小時恒溫在60℃90RH%，最后2 小時降至室溫的辦法，實現24 小時可脫模堆疊。然后將產品碼垛堆疊，轉移至25℃60RH%恒溫恒濕的二次養護區靜養7 天實現產品固化至最終強度。

4 結語

采用多層布料辦法，使用較高外觀質量要求的精細石英石原料，參合白水泥和色料制作精致美觀的表面裝飾層，再用摻雜有礦山尾礦、石材碎屑以及石材加工廢屑等固廢粉末（約14%），混合質量要求較差的石英石原料參合灰水泥制作強度較高的結構層，可以實現美觀和高強度人造石英石板的生產，同時可以減少固廢材料污染環境的同時降低生產成本。通過養護制度的優化，保證產品質量的同時，提高人造石板的生產效率。